CC BY
33
УДК 629.4.027.4
А. С. БЛОХИНА (ДИИТ)
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ВНЕДРЕНИЮ НОВЫХ ПРОФИЛЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ КОЛЕС ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
На прикладi nopiBHHHHfl двох титв профшв продемонстровано застосування методiв eK0H0Mi4H0i оцшки техшчного проекту.
На примере сравнения двух типов профилей продемонстрировано применение метода экономической оценки технического проекта.
On the example of comparison of two types of profiles an application of the method of economical assessment of a technical project is demonstrated.
При рассмотрении возможности использования того или иного технического проекта, как правило, в первую очередь, оценивают технические аспекты, но для принятия правильного решения следует также оценивать новый проект и с учетом экономической эффективности, тем более в такой сложной и многофункциональной отрасли, как железнодорожный транспорт.
Так, в сравнительно недавно вышедшей книге [1], авторами которой являются ученые, представляющие Международную ассоциацию тяжеловесного движения, отмечается, что помимо технических аспектов, характеризующих систему «колесо-рельс», имеются и очень важные экономические аспекты. В процессе обоснования технических решений, отмечают эти авторы, необходимо принять во внимание результаты экономического анализа с учетом предполагаемых затрат и ожидаемого эффекта.
В работах [2, 3] впервые предложен метод, позволяющий на стадии, предшествующей изготовлению опытных образцов, дать экономическую оценку мероприятий, связанных с внедрением в эксплуатацию колес с новым типом профиля поверхности катания.
Ниже, на примере рассмотрения движения полувагона, как наиболее распространенного типа подвижного состава, приведены расчеты по оценке экономических показателей, относящихся к стандартному и предлагаемому профилям поверхности катания колеса. В качестве последнего взят профиль типа МИНЕТЕК лишь потому, что ранее для него был вычислен ряд параметров.
Экономическую оценку следует выполнять лишь при условии, что в предлагаемом варианте показатели, характеризующие безопасность
движения поезда, соответствуют нормативам и превосходят те, что присущи профилю-эталону. В рассматриваемом случае эти условия выполнены [3].
Для предварительной экономической оценки рассматриваемых профилей поверхности катания колес достаточно сравнить затраты, связанные с их ресурсом, ресурсом рельсов и энергозатратами на тягу поездов при использовании конкретного профиля.
Ресурс колес, рельсов и энергозатраты на тягу поездов рекомендуется вычислять, используя понятие работы А сил трения на площадках контакта гребней колес и боковой поверхности наружного рельса, отнесенной к пройденному вагоном пути Ь [5]:
1 ь
А = -JFsds , (1)
Ь о
где F - вектор силы взаимодействия гребня колеса и головки рельса;
в - вектор относительного проскальзывания гребня колеса по рельсу.
Величина А определяется путем математического моделирования пространственных колебаний грузового вагона при его движении по рельсовому пути (см., например, [4, 5]).
Для выполнения сравнительных расчетов примем следующие исходные данные и допущения:
• единственной причиной попадания колес в обточку является износ гребня;
• расходы, связанные с изготовлением колес и их стоимостью как металлических изделий, и расходы, связанные с технологическими процессами при их смене и обточке (вы-прессовка колеса, напрессовка на ось нового
© Блохина А. С., 2010
колеса, монтаж буксового узла) и прочие -одинаковы;
• все полувагоны на сети железных дорог оснащены колесами, которые в одном случае имеют стандартный профиль поверхности катания, а в другом - предлагаемый;
• одинаковы расходы, связанные с заменой в кривых 1 км рельсов, по которым в одном случае предполагается эксплуатация вагонов, колеса которых имеют стандартный, а в другом случае - предлагаемый профиль;
• показатель износа П, равный работе сил трения А, определяется лишь при движении гребня колеса по боковой поверхности головок наружных рельсов радиусом от 300 до 1000 м, где износ оказывается наибольшим;
• при проведении тяговых расчетов величина показателя износа П оценивается дополнительным сопротивлением движению от кривизны пути Жг [6].
1. Экономическая оценка затрат, связанных с изменением ресурса колес
В работе [3] показано, что отношение ресурса колес с предлагаемым профилем Я2 к ресурсу колес со стандартным профилем Я1, с учетом соответствующего количества п обточек за жизненный цикл колеса, равно
Таблица 1
Я^ _ А_ [Н]2/Н2 +1 Я _ ~2 ' Й"' [Н ]1/ Н +1 :
(2)
4 _ 1,15. А- _ 1,15. -П_ Я А2 П2
(3)
Численные значения А1 /А2 при разных величинах радиуса кривой
Я, м А! / А2
300 1,71
350 1,69
400 1,67
500 1,64
600 1,62
650 1,61
700 1,60
800 1,59
900 1,56
1000 1,54
Средневзвешенное значение этого отношения равно 1,8, поэтому, с учетом (3) и (4)
Я2 _ 1,8 Я1.
(4)
где [а]\ и [а]2 - предельно допустимые в эксплуатации величины износа гребней, устанавливаемые соответственно для колес с профилями 1 и 2; Н1 и Н2 - вызванные обточкой величины технологического износа гребней, соответствующие колесам 1 и 2; [Н]2 _ [Н]1 - наибольшие допускаемые в эксплуатации значения Н, при достижении которых колеса исключаются из эксплуатации.
В рассматриваемом случае [а]1 _ 8 мм, [а]2 _ 5 мм, [Н]2 _ [Н]1 _ 45 мм, Н1_ 16 мм, Н2 _ 7,5 мм, поэтому
Согласно [6], значения отношения А] / А2, найденные путем математического моделирования движения поезда по криволинейным участкам пути с различными радиусами Я, приведены в табл. 1.
Согласно данным вагонного депо Нижне-днепровск-Узел (ВЧД-3) Приднепровской железной дороги, в котором ремонтируются грузовые вагоны, новое колесо со стандартным профилем поверхности катания направляется на первую обточку в среднем через 2 года после начала его эксплуатации. Последующие обточки производятся через каждые 2 года. После 4-х обточек эти колеса приходится исключать из эксплуатации, а на оси напрессовывать новые.
Поэтому ресурс Яг можно принять равным 10 годам. Тогда Я2 _ 1,8 -10 _ 18 лет.
В связи с этим, для одного вагона в течение его срока службы (30 лет) понадобится иметь
-30 • 2 - 4 _ 24 колеса со стандартным профилем
30
и 18 • 2 • 4 = 14 колес с предлагаемым. Согласно
данным ОАО «Мариупольский завод тяжелого машиностроения», стоимость одного колеса по состоянию на январь 2010 г. составляет 3,8 тыс. грн. Поэтому стоимость 24 колес со стандартным профилем будет равна 91,2 тыс. грн, а 14 колес с предлагаемым профилем - 53,2 тыс. грн.
Количество обточек одного колеса за его жизненный цикл, соответственно, с профилями _ [Н] п _ [Н]2
1 и 2 равно:
Н
Н2
Т.к.
[Н]2 = [Н, то п2 = — п . В нашем случае
Н2
П = 4, кх = 16 мм, к2 = 7,5 мм, поэтому п2 « 9 обточек/колесо.
Тогда, за 30 лет количество обточек, приходящихся на одно колесо, составит в случае стандартного профиля 24 • 4 = 96 обточек и 14 • 9 = 126 обточек в случае предлагаемого.
По данным упомянутого депо (по состоянию на сентябрь 2009 г.), стоимость обточки двух колес одной колесной пары с учетом перепрессовки, оцениваемой в 587 грн, и монтажа буксового узла (200 грн) можно считать равной 787 грн. В этом случае, в течение 30 лет в расчете на 1 вагон затраты на обточку колес со
стандартным профилем составят — • 787 • 96 =
= 33776 грн/вагон, а с предлагаемым - будут
равны 2 • 787 • 126 = 49581 грн/вагон.
Таким образом, приходящиеся на 1 вагон затраты в течение 30 лет составят 91200+33776=124976 грн в случае стандартного профиля и 53200 + 48581 = 102781 грн - в случае предлагаемого профиля без учета инвестиций на его разработку и внедрение.
Согласно Комплексной программе [7], рабочий парк грузовых вагонов в 2008 г. состоял из 115921 вагона, к 2020 г. он должен вырасти до 141761 вагона.
Если принять в расчет данные 2008 г., то суммарные затраты по отрасли в течение 30 лет в случае колес со стандартным профилем составят 14487-106 грн и 11914-106 грн - с предлагаемым.
Следовательно, экономия за счет внедрения предлагаемого профиля в течение 30 лет составит в целом по отрасли
(14487 - 11914) • 106 = 2573 • 106 грн
и 124976 - 102781 = 22195 грн - в расчете на 1 вагон.
В случае предлагаемого профиля, к затратам следует еще отнести инвестиции на научный поиск, разработку проекта, проведение расчетов и испытаний, в том числе натурных в опытных маршрутах, которые ориентировочно можно принять равными 5 • 106 грн.
2. Экономическая оценка энергозатрат на тягу поездов
Эта оценка может быть получена путем сравнения результатов тяговых расчетов, соот-
ветствующих движению поезда, вагоны которого в одних случаях имеют колеса со стандартным профилем, а в других - с предлагаемым. Поезд с одним и тем же локомотивом должен иметь одно и то же количество однотипных, одинаково загруженных вагонов.
Участок пути должен иметь характеристики, близкие к среднесетевым, за исключением случая, когда сравниваются типы профилей поверхности катания колес, предназначенных для горных участков.
Ниже, в качестве примера, приведены результаты тяговых расчетов, выполненных в связи с оценкой того, каковы энергозатраты на тягу поезда в случае, когда колеса имеют стандартный профиль катания или предлагаемый (типа МИНЕТЕК). В работе [6] приведены результаты тяговых расчетов, в которых рассматривалось движение поезда, сформированного из электровоза серии ВЛ8 и 60 полувагонов массой 80 т брутто по участку Днепропетровск - Пятихатки протяженностью 125 км, характеристика которого близка к среднесете-вой. Каждому из сравниваемых типов профилей соответствовало 12 поездок. Данные о расходе энергии в каждой из поездок указаны в табл. 2.
Таблица 2
Расход энергии на ведение состава из 60 грузовых вагонов по участку длиной 125 км
Время хода, мин Расход энергии, кВт-ч Экономия
стандартный профиль профиль МИНЕТЕК энергии, кВт-ч
90,5 6398 6301 97
100,6 5317 5176 141
107,2 5062 4938 124
114,5 4897 4750 147
119,3 4819 4663 156
130,3 4674 4525 149
149,1 4458 4344 114
169,0 4325 4211 114
180,5 4269 4151 118
199,7 4207 4091 116
219,9 4168 4052 116
238,8 4151 4034 117
Средние
значения за одну 4913 4784 129
поездку
Из данных табл. 2 следует, что расход электроэнергии на 1 км пути при ведении одного поезда равен 39,30 кВт-ч/км в случае, когда все
вагоны имеют стандартный профиль, и 38,27 кВт-ч/км в случае предлагаемого профиля.
При использовании в течение года 92 тыс. поездов на полигоне длиной 9752 км и цене электрической энергии 358,61 грн/МВт-ч [8], затраты на ведение поездов составят:
Г =
39,30 • 92 • 103 • 358,61-10-3 • 9752 « 1264 • 106
грн
в год в случае стандартного профиля и 38,27• 92•Ю3 • 358,61 • 10-3 • 9752 « 1231 106 грн в год в случае предлагаемого профиля.
В течение 30 лет эти затраты на полигоне
составят, соответственно, 37920 •Ю6 грн. и
36930 •Ю6 грн. Экономия по отрасли составит 33 млн грн/год и 990 млн грн - за 30 лет.
3. Сравнение затрат, связанных с ресурсом рельсов
В работе [9] показано, что отношение ресурсов рельсов Т\ и Т2 в случае использования колес, соответственно, с профилями 1 и 2 может быть определено как:
Т
2
Т
(5)
£ ь
(6)
и срок t службы рельсов, подлежащих замене на участке длиной -
t = ■
Т_ Г
(7)
Длина ежегодно заменяемых рельсов на криволинейном участке пути длиной I будет равна:
ь =-.
t
(8)
Таблица 3
Зависимость ресурса рельсов от радиуса кривых
Для сравниваемых нами профилей значения правой части выражения (5) содержатся в табл. 1. Поэтому, зная величину ресурса Т1, можно найти величину Т2.
Ресурс рельсов, уложенных в криволинейных участках пути радиусом Я, может быть найден с использованием эмпирической формулы, предложенной профессором Г. М. Ша-хунянцем [10]. Найденные с использованием этой формулы величины Т1 были предоставлены профессором В. В. Рыбкиным, которому автор приносит глубокую благодарность за помощь и консультации в вопросах путевого хозяйства. В табл. 3 для разных значений радиусов Я приведены значения Т и, согласно выражению (6), соответствующие значения ресурса рельсов Т2 (величины отношения Л\ /Л2 приведены в табл. 1).
Зная для каждого из криволинейных участков величину ресурса Т, можно найти длину рельсов, подлежащих смене на данном участке в течение года. Это можно сделать следующим образом.
По величине освоенного за год на сети железных дорог Украины грузооборота £ и величине развернутой длины ь их главных путей находим грузонапряженность Г одного километра пути в течение одного года:
Я, м Ть млн т Т2, млн т
300 67,7 116
350 84,1 142
400 101 169
500 136 223
600 172 279
650 190 310
700 209 334
800 246 391
900 284 446
1000 322 502
Согласно [7], в 2007 г. величина £ = 262,6 млрд т-км. С учетом развернутой длины Ь главных путей, величина Г будет равна 8,63 •Ю6 т/год.
Ниже приведены найденные с учетом этого длины заменяемых рельсов по участкам пути в случае использования стандартного (табл. 4) и предлагаемого (табл. 5) профилей поверхности катания.
Заметим, что суммарная длина приведенных в этих таблицах кривых составляет 5121 км.
Из данных, приведенных в табл. 4 и 5, следует, что на участках кривых, радиусы которых могут изменяться от 300 до 1000 м, потребуется ежегодно производить замену рельсов на длине 248,7 км в случае использования на вагонах колес со стандартным профилем поверхности катания и 151,6 км - в случае предлагаемого профиля.
По данным Приднепровской железной дороги, стоимость всего объема работ по сплошной замене рельсов на 1 км пути равна 977 тыс. грн (по состоянию на 01.10.2009 г.).
2
Поэтому затраты на ежегодную сплошную замену рельсов в кривых радиусом от 300 до 1000 м составляют 248,7 • 977 -103 » 243 -106 грн в случае стандартного профиля и 151,6 • 977 -103 = 148 -106 грн - в случае предлагаемого. За 30 лет эти затраты будут равны, со-
ответственно, 7290 -10 и 4440 -10 млн грн. Длина заменяемых рельсов по участкам в случае стандартного профиля поверхности катания колеса
Ниже приведены суммарные по отрасли затраты за год и за 30 лет в случае стандартного и предлагаемого профилей поверхности катания колес грузовых вагонов (табл. 6) и соответствующие экономические эффекты (табл. 7).
Приходящиеся на 1 вагон суммарные затраты и экономический эффект приведены, соответственно, в табл. 8 и 9.
Таблица 4
Наименование параметров Обозначение Номера г участков, величины радиуса кривой К, м
1 2 3 4 5
300... 349 350.499 500.649 650.799 800.1000
Средняя по участку величина ресурса рельсов, млн т Ти 75,9 118 181 227 284
Срок службы рельсов, год 'и = Ти1 Г 8,79 13,7 21,0 26,0 32,9
Длина участка, м 1. 1 280 592 2189 879 1181
Длина ежегодно заменяемых рельсов, км ц. = 1. Д. г! 1. 31,8 43,2 104 33,8 35,9
Длина рельсов, подлежащих замене за 30 лет 30/ 1г 564 782 1926 630 645
Таблица 5
Длина заменяемых рельсов по участкам в случае предлагаемого профиля поверхности катания колеса
Номера . участка, величины радиуса кривой К, м
Наименование параметров Обозначение 1 2 3 4 5
300.349 350.499 500.649 650.799 800.1000
Средняя по участку величина ресурса рельсов, млн. т 72. 2г 129 196 294 362 474
Срок службы рельсов, год II 14,9 22,7 34,1 41,9 54,9
Длина участка, м 1. 1 280 592 2189 879 1181
Длина ежегодно заменяемых рельсов, км ц. = 1.1 г.. 18,8 26,1 64,2 21,0 21,5
Длина рельсов, подлежащих замене за 30 лет = 30!и 564 782 1926 630 645
Следует заметить, что найденные экономические эффекты получены при указанных выше допущениях, поэтому необходимо обратить внимание не столько на их абсолютные значения, сколько на то различие в показателях, которое вносит предлагаемый профиль. При этом следует также заметить, что не учитываются сопутствующие расходы, связанные с внедрением новых профилей: затраты на контрольно-
измерительный инструмент, шаблоны, фрезы, обучение персонала и т.д.
Выводы
1. Тип профиля поверхности катания колеса подвижного состава существенно влияет на эксплуатационные расходы отдельных хозяйств и отрасли в целом.
Таблица 6
Суммарные затраты по отрасли
Показатели Стандартный профиль Предлагаемый профиль
Затраты, млн грн
за год за 30 лет за год за 30 лет
Ресурс колес 482,9 14487 397,1 11914
Топлив- но-энер- гетиче- ский ресурс 1264 37920 1231 36930
Ресурс рельсов 243 7290 148 4440
Инвестиции на создание колёс с новым профилем - - 0,16 5
Всего 1989,9 59697 1776,3 53289
Таблица 7
Экономический эффект по отрасли за счет замены колёс со стандартным профилем на колёса с предлагаемым профилем поверхности катания
Показатели Экономический эффект, млн грн
годовой за 30 лет
Ресурс колёс 85,8 2573
Топливно- энергетический ресурс 33 990
Ресурс рельсов 95 2850
Всего 213,8 6413
2. Предлагаемый метод позволяет еще на стадии, предшествующей изготовлению опытных образцов, определить экономическую целесообразность замены существующего профиля на предлагаемый.
3. Наибольший экономический эффект в рассматриваемом случае связан с заменой рельсов в кривых, а наименьший - за счет экономии электроэнергии на тягу поезда.
4. Наибольшие экономические затраты связаны с расходованием топливно-энергетических ресурсов на ведение поезда, и они значительно превышают те, что связаны с затрата-
ми в паре «колесо-рельс». Следует заметить, что эти данные согласуются с теми, что опубликованы Международной ассоциацией тяжеловесного движения. Это обстоятельство свидетельствует о достоверности расчетов, выполненных по предлагаемому методу.
5. Достоверность приведенных расчетов подтверждается еще и тем, что полученные теоретическим путем данные о дополнительном количестве обточек колес с предлагаемым профилем и связанными с этим дополнительными расходами согласуются с результатами наблюдений.
6. Приведенные показатели экономической эффективности проекта могут быть уточнены с учетом расчетного срока службы вагона, возможно дополнительных эксплуатационных расходов.
Таблица 8
Суммарные затраты, приходящиеся на 1 вагон
Показатели Стандартный профиль Предлагаемый профиль
Затраты, тыс. грн
за год за 30 лет за год за 30 лет
Ресурс колес 4,17 125 3,43 103*
Топливно- энергетический ресурс 10,9 327 10,6 318
Ресурс рельсов 2,1 62,9 1,28 38,3
Всего 17,17 514,9 15,31 459,3
Таблица 9
Приходящийся на 1 вагон экономический эффект за счет замены колёс со стандартным профилем на колёса с предлагаемым профилем поверхности катания
Показатели Экономический эффект, тыс. грн
годовой за 30 лет
Ресурс колёс 0,74 22
Топливно- энергетический ресурс 0,30 9
Ресурс рельсов 0,82 24,6
Всего 1,86 55,6
* Включены 5 млн грн инвестиций, что составляет примерно 43 грн на один вагон.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса [Текст] : [пер. с англ.] / У. Дж. Харрис [и др.]; под ред. С. М. Захарова и В. М. Богданова. - М.: Интекст, 2002. - 408 с.
2. Бараш, Ю. С. К вопросу экономического обоснования выбора рационального профиля поверхности железнодорожного колеса [Текст] / Ю. С. Бараш, А. Г. Рейдемейстер, А. С. Блохина // Зб. наук. пр. «Економжа: проблеми теорп та практики». - Вип. 46. - Д.: Дшпропетр. нац. ун-т, 2000. - С. 17-20.
3. Блохина, А. С. Метод оценки профилей колес подвижного состава [Текст] / А. С. Блохина // Вюник Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна (роздш «Економка транспорту»). - 2009. - Вип. 26. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2009. - С. 176-181.
4. Мямлин, С. В. Моделирование динамики рельсовых экипажей [Текст] / С. В. Мямлин. - Д.: Новая идеология, 2002. - 240 с.
5. Данович, В. Д. Математическая модель взаимодействия колеса и рельса [Текст] / В. Д. Дано-вич, А. Г. Рейдемейстер // Транспорт : зб. наук.
пр. ДПТу. - Вип. 2. - Д.: Наука i освгга, 1999. -С. 17-22.
6. Влияние профиля поверхности катания колес вагонов на затраты, связанные с тягой поездов [Текст] / А. Г. Рейдемейстер [и др.] // Залiзн. трансп. Украши. - 2000. - № 3. - С. 24-25.
7. Комплексна програма оновлення залiзничного рухомого складу Украши на 2008-2020 рр. [Текст] / Мшстерство транспорту та зв'язку Украши, Державна адмшютращя залiзничного транспорту Украши. - К., 2009. - 299 с.
8. Аналiз роботи господарств електрифжаци та електропостачання в 2008 рощ [Текст] // Нормативно--техшчне видання Укрзалiзницi. - К., 2009. - 244 с.
9. Рейдемейстер, А. Г. К вопросу о влиянии профиля колеса на ресурс рельсов [Текст] / А. Г. Рейдемейстер, А. С. Блохина // Залiзн. трансп. Украши. - 2004. - № 4. - С. 10-11.
10. Шахунянц, Г. М. Железнодорожный путь [Текст] / Г. М. Шахунянц. - М.: Транспорт, 1969. - 535 с.
Поступила в редколлегию 12.01.2010.
Принята к печати 18.01.2010.
